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项目介绍 / Project introduction

体育场馆扩声系统综述
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自北京成功申办2008年奥运会以来,为满足奥运会体育比赛的需要,在北京和其周边地区已开始新建或改建30余座现代体育场馆,并带动了全国各地兴建体育场馆的热潮。随着科技的进步与经济的发展,我国新世纪建设的体育场馆与以往的体育场馆相比,无论是建筑形式与格局,还是使用功能和设施等方面,都有了很大的提高与进步......

产品应用场景图 / Application scenarios

自北京成功申办2008年奥运会以来,为满足奥运会体育比赛的需要,在北京和其周边地区已开始新建或改建30余座现代体育场馆,并带动了全国各地兴建体育场馆的热潮。随着科技的进步与经济的发展,我国新世纪建设的体育场馆与以往的体育场馆相比,无论是建筑形式与格局,还是使用功能和设施等方面,都有了很大的提高与进步。

下面就体育场馆扩声系统设计中,需要考虑和注意的一些基本问题进行讨论。

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一、体育场馆对扩声系统的基本要求

这里需要强调三点。

(1)体育场馆最常用的功能就是举行体育比赛或群众集会,因而对扩声系统最基本的要求就是保证语言扩声的可懂度(或清晰度)。这看似简单,在实施过程中要真正使体育场馆观众坐席(或大多数观众坐席)具有良好的听闻效果并非易事。

(2)当体育场馆举行大型运动会开幕式、闭幕式或大型文艺演出时,如果为扩声系统配置高质量的“流动系统”,再与原有的“固定”安装系统联合使用,就会得到比较理想的扩声效果,而且这种方式在投入上也比较经济。

(3)现代体育场馆的观众群体有别于传统的“观众”,很多观众是“球迷”拉拉队,他们的呐喊助威使比赛过程气氛热烈。但对扩声而言,“背景噪声”级增大了,而且是无规律的,这一点在扩声系统设计中应予以充分注意。

二、体育场馆声学特性规范

《体育馆声学设计及测量规程》由中国建筑科学研究院主编,经建设部批准的全国行业标准,自2001年3月1日起施行。其主要内容包括:总则;建筑声学设计;噪声控制;扩声设计和声学测量等五个部分。比赛大厅基本分为:综合体育馆比赛大厅、游泳馆比赛大厅和溜冰馆等。

在这里还需要说明几点。

(1)体育场声学特性目前尚无规范可循,有资料表明,对体育场观众席扩声声压级的要求应该在103 dB左右。

(2)大多体育场观众席上方多带有“雨蓬”,会形成一定的反射声。虽然体育场是非封闭空间,在设计中也不能简单地以自由声场来对待,这是非常重要的。

例如,法国圣但尼斯国家运动场为防止观众席上方“雨蓬”带来的声反射,在观众席上方的挑蓬采用了穿孔吸声板作吸声处理。

(3)我们应该如何正确理解规范给出的“扩声系统声学特性指标”。

国内在进行室内外扩声设计时,就“扩声系统声学特性指标”常常要遵循相应的国家标准或规范。使用方在工程招标中,对“扩声系统声学特性指标”亦有明确的要求。我们知道,在国际上,只有测量方法的标准而没有明确的“技术参数指标”的标准与规范。没有“技术参数指标”的系统设计似乎不够完整,我们心里也不够踏实。那么,如何正确理解和使用“扩声系统声学特性指标”?应该说,“扩声系统声学特性指标”对扩声系统设计来说是必要的,但不是充分的。“必要”是指它可以使系统设计得到均衡与“健康”,“不充分”是指仅按技术指标进行设计,声音重放不一定是“美”的。

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三、正确把握EASE设计软件的应用

(1)EASE软件的简要历程

应用计算机对扩声系统声学特性进行辅助设计的实用软件源于美国20世纪80年代中期,以后国际上知名的公司相继开发出能适应不同品牌扬声器数据库的CAD软件,并不断完善计算方法和结果展示。

德国ADA声学设计公司从20世纪90年代初开发了EASE2.0软件,到90年代末升级并开发出EASE3.0模拟软件,这是在许多国家注册的商品化软件。它与以前的软件相比,在计算内容上更加丰富、更加完善,该软件的扬声器数据库是开放的,并涵盖了国际上几十家知名品牌扬声器的数据库,90年代以来该软件在国内、外得到了广泛的使用。

2002年8月ADA公司又推出了EASE4.0版本,EASE4.0延续了EASE3.0版本的所有功能并做了很多改进,主要有:人性化的用户界面、更为方便的模型导入和导出、更加丰富的音箱数据库,特别是增加了线阵列扬声器系统的数据庫。换句话说,EASE4.0可以计算线阵列扬声器系统的扩声数据,这是EASE3.0版本所不能完成的。目前国内外广泛使用EASE软件进行扩声声场模拟。

(2)扩声系统声学特性CAD计算系统的精度

借助计算机对扩声系统声学特性进行辅助设计,不仅可将建声的有关特性与电声作为一体进行,还能给出观众席声学特性的具体数据,完成了定量的设计计算,也节省了大量的工作时间。通过CAD可以直观地看到拟设计的扩声系统声学特性的预期结果,对实际工程具有良好的指导性。但是,我们应该清醒地看到,EASE软件无论是计算精度,还是准确性都有一定的局限性,其计算结果只能供参考。

(3)EASE计算软件是一个很好的工具

EASE计算软件主要是帮助声学工作者研究声场,在同一声学环境下对音箱的选型与布局进行反复比较,展示不同方案扩声声场的“走向”。计算系统只能“遵循”指令来运行,它不能取代设计者对建筑和艺术的深刻理解;不能取代设计者所具有的声学的、系统的知识和丰富经验。总之,声学模拟软件和计算系统不能取代声学工作者的设计工作,它仅仅是一个很好的工具而已。

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四、体育场馆扬声器系统的选择与布局

扬声器系统的选型与布局是体育场馆扩声系统设计的重要一环,因为最终的几项重要的扩声系统声学特性指标及音质效果都与此有直接关系。

扬声器系统的选型:由于现代体育场馆的容积一般都较大,扩声系统中的扬声器系统应选用具有指向性特性好、特性灵敏度高和能给出大声压级的产品。此外,安装上必须认真考虑扬声器系统的重量。对于体育场使用的扬声器系统还必须考虑防潮或防雨的要求。

体育场扬声器系统布局:现代体育场扬声器系统的布局也有集中式和分散式两种,具体实施亦应根据具体环境(或条件)而定。一般来说,集中式较分散式声音“外溢”较大,有资料表明大约高出15 dB左右。

五、功率放大器与扩声音箱馈接的解决方案

由于体育场馆的空间都较大(特别是体育场),现场扩声音箱与机房功放柜的距离较远,为防止音箱馈线上的功率损失“过大”或带来扩声音质“变坏”。因而功率放大器与现场扩声音箱的馈接是体育场馆扩声中,需要予以认真对待的一个重要问题。

功率放大器与扩声音箱馈接基本上有三种方式:定压传输方式、定阻传输方式和采用有源音箱方式。

(1)定压传输方式

所谓定压传输是指在功率放大器的输出端加一个高质量的输出变压器(或功放自带),将信号电平升至70 V~240 V(常用有70 V、100 V、120 V和240 V),而在终端音箱处配接一个高质量的“降压”变压器与音箱阻抗相匹配。由于在传输线上的电压较高,相对传送电流较小,故可以使用较细线径的馈线。相对而言,定压传输方式传送的距离较远,但它是以“牺牲”音质为代价的。而且,对系统的稳定性、可靠性也不利。以往在一些对重放音质要求不是很高体育场馆常常采用该种方式。

(2)定阻传输方式

对于重放音质要求较高的现代体育场馆大多采用定阻传输方式,该种方式需要使用较大线径的馈线,传送的距离也较近。为有效地解决这一问题,扩声功放柜不放在音响控制室而采用“分组”的办法置于现场扩声音箱附近。场地大、扩声音箱多,功放机柜分组多,相反亦然。功放机柜与控制室设备的连接采用数字控制网络。

例如,法国圣但尼斯国家运动场的扩声设备机柜(功放等)共九组,均匀分布在挑蓬空间内。德国沃尔福斯堡体育场(德甲足球比赛场地之一)可容纳4万多名观众,场地采用了德国K&F扩声音箱36组,扩声设备机柜(功放等)共四组分布在观众席四个角上部的后方。

(3)采用有源音箱方式

另一种完好的解决办法是采用一体式有源音箱,有源音箱内自带DSP处理器和功放等电子部件,它完全不“存在”音箱馈线的问题。近代体育场馆扩声系统中,采用一体式有源音箱的工程案例越来越多,从扩声重放的音质效果到工程施工的方便性等方面充分显示出采用有源音箱的优越性。

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六、网络遥控功率放大器系统

网络遥控功率放大器系统是指,带有DSP板的功率放大器与相应的控制系统软件相配接,由一台电脑进行控制。在控制室的电脑上可以实时地反映出各地址功放和音箱的所有重要工作参量,从而很方便地解决数量庞大而地址分散的功放和音箱在工作运行状态管理中的难点。近代体育场馆扩声系统中,广泛使用着网络遥控功率放大器系统。

七、线阵列扬声器系统在体育场馆扩声中的应用

这里简要作些说明。

以往为了解决大场地,如大型体育馆、体育场和广场扩声的需要,常采用几十只或上百只音箱组成的大型“音箱阵”或“音墙”来满足场地扩声声压级和声场覆盖的要求。这种方式延用了许多年,直至今天还在使用。后来人们逐渐发现,这种传统的组阵方式虽然在总体上可以满足大场地扩声的需要,但是有两个最突出的问题:一是大型组阵现场搭建繁杂;二是扩声声场存在明显的声干涉。可以说这是传统组阵在扩声应用中最“致命”的缺陷。显然问题的存在对某些使用场合,特别是对重放音质要求高的场所将不能满足使用要求。为了解决这些问题,近十年来声学家和扬声器厂商又开始重温“线性阵列系统具有良好的垂直指向性覆盖和远距离声辐射的特点”,但是如何能完成全音域的重放?只有伴随扬声器设计与加工工艺的进步才能得以实现。国际上一些著名的扬声器生产厂商如意大利的蒙特宝和法国的NEXO等也陆续推出了各自品牌的线阵列扬声器系统。

就扩声声场而言,传统组阵的声辐射图形(如指向性、频率特性)很难控制,因而会造成观众区声场不均匀,特别是扩声声场会出现明显的声干涉。

线阵列保持了传统组阵可提供大声压级和远距离供声的特点,声辐射图形容易控制,具有良好的指向特性,观众区供声声场均匀。扩声声场的声干涉也小,因而有利于提高扩声质量。

目前在体育场馆的多种活动中,如体育比赛的开幕式、闭幕式和大型文艺演出等,线阵列扬声器系统得到了广泛的使用。

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八、数字技术在体育场馆电声系统中的应用

当今,科技发展迅猛,电声系统与设备更新換代很快,新技术与新产品不断涌现。目前正处于模拟技术与数字技术交替发展的时期,传统的模拟式广播电声系统正逐渐被数字式系统所代替,这一趋势已成为科技发展的必然。

现代体育场馆电声系统亦应广泛使用数字技术,这里说的数字技术主要包括两个含义:一是系统中应尽可能采用数字式产品;二是采用数字化网络、计算机技术对系统的操作运行进行控制。系统中采用数字式产品不仅能有效地提高系统的技术性能,同时也为数字化网络传输奠定基础。扩声系统中采用的数字式产品主要有:数字调音台和各类音频信号处理器、带DSP插板的功率放大器、网络控制器等。由于现代体育场馆的空间一般都较大,扩声系统的传输管线多,布局也较复杂,这是经常要遇到的问题。扩声系统采用数字化网络传输方式,不仅能有效地提高系统的技术性能和可靠性,也为简化传输管线和布局、系统操作与控制提供了很大方便。现代的电声系统是一个工程集成的概念,不能简单地把众多的数字式产品等同于数字技术。

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体育场馆扩声系统设计方案要充分体现科技奥运、绿色奥运、人文奥运和数字奥运的理念。要具有远瞻性、先进性、可靠性和科学性。同时,要充分注意到与“国际接轨”的要求。因此,设计者必须了解科技发展动态,掌握最新技术与产品信息,并结合国内外近代一些大型体育场馆建设与实际使用中的成败经验,给出一个完善的电声系统设计方案。